ATEAM - Fachtagung am in Maintal. Thema: N - Leiter (Oberschwingungen) - EMV - Problematik

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1 ATEAM - Fachtagung am in Maintal Thema: N - Leiter (Oberschwingungen) - EMV - Problematik 1. Vortrag: Nullungsgrundsätze in komplexen Netzen Ralf Reichert, Maintal 2. Vortrag: Möglichkeiten zur techn. Reduzierung der Oberschwingungsströme Dietmar Wiesler FRAKO Kondensatoren- und Anlagenbau GmbH, Teningen 3. Vortrag: Stat. USV - Anlagen als Sicherheit für die Stromversorgung Peter Wasinger Powerware GmbH, Düsseldorf Dr. Reichert, FT260101, 1

2 Referenten: Dr.-Ing. Dipl.-Wirtsch.-Ing. Ralf Reichert, ATEAM Dr. Reichert, FT260101, 2

3 Stichwort: verpennte Installation Dr. Reichert, FT260101, 3

4 Früher: Verbraucher mit symetrischer 3-Phasenbelastung Sinusförmige Stromaufnahme Kaum Ströme im N-Leiter Kaum einphasige Verbraucher Dr. Reichert, FT260101, 4

5 Heute: Viele einphasige Verbraucher Schaltnetzteile speisen Harmonische zurück Hohe Rückströme im N-Leiter Gewachsene Elektroinstallationen Viele Generationen in einem System Rasende technische Entwicklung Dr. Reichert, FT260101, 5

6 Konkreter Fall: Firma fordert Messungen an, weil Störungen beim Betrieb von ca. 100 Rechnern auftreten. Messungen ergeben einen zu großen Anteil von Oberschwingungen aber: nicht nur auf dem N-Leiter auch auf dem PE-Leiter Durch Vermischung von TN-C-und TN-S-System Dr. Reichert, FT260101, 6

7 Die Folgen: PC s steigen aus Datenübertragung wird langsam Festplattenfehler treten auf Bildschirme flackern und flimmern Schäden an Kompensationsanlagen N-Leiter kann überhitzen Sternpunktverschiebung Korrosion an Rohrleitungen und Erdungssystemen usw. Dr. Reichert, FT260101, 7

8 Rot: Strom im L1 Verbraucher 1 mit 3te, 5te und 7te Harmonischen Gelb: Strom im L ideal Dr. Reichert, FT260101, 8

9 Oberschwingungen? Alle ganzzahligen Vielfachen einer Grund-Schwingung bezeichnet man als Oberschwingung oder Harmonische n - Ordnungszahl der Oberschwingungen (Netzfrequenz) z.b. 3 = 150 Hz, 5 = 250 Hz Jede Schwingungsform kann in viele ganzzahlige reine Sinus-Schwingungen zerlegt werden. (Fourier-Analyse) Reiner Sinus n = 0 Oberschwingungen entstehen bei Betrieb von Verbrauchern, welche keine sinusförmige Strom-Aufnahme aufweisen. Generell kann man sagen, das Einphasenbelastungen die dritte Oberwelle und Dreiphasenbelastungen die anderen Oberwellenerzeugen. Dr. Reichert, FT260101, 9

10 Oberschwingungen Die fünfte und die siebte Harmonische können mit Löschkreisen weggefiltert werden. Löschkreise beseitigen jedoch nicht die dritte Oberwelle!! Die dritte Oberwelle kann im Neutralleiter sogar einen größeren Ström erzeugen als der Strom im Phasenleiter. Geräte die dritte Oberwelle verursachen: Computer Büromaschinen Entladungslampen Aggregate Schweißgeräte Gleichrichter USV - Anlagen Hauselektronik (Fernseher, Radios usw.) Dr. Reichert, FT260101, 10

11 Oberschwingungen Die Anwendung sogenannter nicht linearen, die dritte Oberwellen erzeugenden Geräte nimmt ständig zu ==> Probleme im Stromnetz gewöhnliche Büro PC ca. 4 A/kW 150-Hz-Strom Entladungslampen ca. 1 A/kW 150-Hz-Strom Die dritte Oberwelle ist gleichphasig in allen drei Phasen eines Dreiphasensystems, und somit summiert sich der so entstandene Strom im Neutralleiter ==> I N (150 Hz) = 3 x I (Phase) Dr. Reichert, FT260101, 11

12 Oberschwingungen Die dritte Oberwelle summieren sich in Neutralleitern Dr. Reichert, FT260101, 12

13 Verantwortung der Energieversorger? Gemäß: Energiewirtschaftsgesetz und der Verordnung über die Allgemeine Bedingungen für die Elektrizitätsversorgung von Trafikunden hat der Energieversorger eine Stabilität der Netzverhältnisse zu gewährleisten! Stabilität liegt bei normalen Verhältnissen bei 1,5% - 4% der Nennwerte Dr. Reichert, FT260101, 13

14 Entwicklung des Haushaltstromverbrauchs für das Jahr 2010 (VDEW Prognose) Verringerung des Strombedarf v. Kühl- u. Gefriergeräten um 25% Anstieg des Strombedarfs im Bereich Audio, Video, PCs um 40% Erhöhung des Marktanteils von Energiesparlampen auf 50% D.h. nicht lineare Verbraucher werden zu nehmen Im Zusammenhang mit der Liberalisierung des Strommarktes werden die Energieversorger die Stabilitätskriterien großzügiger interpretieren! Dr. Reichert, FT260101, 14

15 Verantwortung der Gerätehersteller? Leistungsfaktorkorrektur (Power - Factor - Correction) ab Pflicht gemäß DIN EN zur elektromagnetischen Verträglichkeit (EMV) Geräte mit Leistungsaufnahme bis 75 W müssen bestimmte Grenzwerte für Oberschwingungen einhalten Für professionelles Equipment ab einer Leistung > 1 kw existieren keine Grenzwerte PCs, Monitore oder Rundfunk- und Fernsehgeräte fallen in eine eigene Bewertungsklasse D Die meisten (großen) Hersteller z.b. Fujitsu-Siemens, Lambda liefern nur noch Geräte mit PFC Dr. Reichert, FT260101, 15

16 Was heißt das für uns? Empfindliche und wichtige Anlagen müssen an die bestehenden Verhältnisse angepaßt und die Netzqualität, falls erforderlich, durch Zusatzanlagen (z.b. USV - Anlagen oder Störschutzfilter) verbessert werden. Die Verteilanlagen müssen gemäß der neuen Erfordernissen ausgelegt werden. VDEW: bei Anschluß von spannungs- und frequenzempfindlichen Betriebsmitteln, wie Nachrichtengeräten, sind vom Kunden Maßnahmen zur Verhinderung von Schäden zu treffen Dr. Reichert, FT260101, 16

17 Grundvoraussetzung ist eine sorgfältig ausgeführte elektrische Installation Dr. Reichert, FT260101, 17

18 In Bezug auf: Netzqualität Oberschwingungen Funktionalität Betriebssicherheit Dr. Reichert, FT260101, 18

19 Netzsysteme nach DIN VDE 0100 TN-System Systeme, in denen ein Punkt des Neutralleiters - meist in der Nähe der speisenden Stromquelle - direkt geerdet ist und die Körper der Betriebsmittel über Schutzleiter mit diesem Punkt verbunden sind. TT-System Systeme, in denen ein Punkt des Neutralleiters - meist in der Nähe der speisenden Stromquelle und die Körper der Betriebsmittel mit anderen - das heißt von der Erdung des Neutralleiters unabhängigen Erdern verbunden sind. IT-System Systeme, in denen kein Punkt des Systems direkt geerdet ist - die Körper der Betriebsmittel jedoch geerdet sind Es gibt drei Varianten des TN-Systems: TN-S-System Getrennter (separater) Neutralleiter und Schutzleiter im gesamten System. TN-C-System Kombinierter Neutral- und Schutzleiter (PEN-Leiter) im gesamten System. TN-C-S-System Im ersten Teil des Systems (Netz) kombinierter, im zweiten Teil des Systems getrennter Neutralleiter und Schutzleiter Dr. Reichert, FT260101, 19

20 Der vergessene N - Leiter Nulleiter --> Neutralleiter Durch den sorglosen Einsatz von PEN - Leitern bei einphasigen Verbrauchern wurde der Rückleiterstrom N vergessen. Über unbeabsichtigete Bypässe (mehrere aktive PE-N -Brücken) fließt der Rückleiterstrom zur Einspeisestelle zurück. ==> vagabundierende Ströme in der Erdungsanlage (EMV) In Schaltschränken wird der N-Leiter meist weit von dem Schienen- system der Außenleiter entfernt angeordnet. ==> riesige elektromagentische Felder Dr. Reichert, FT260101, 20

21 Maßnahmen des Schaltanlagenherstellers In der Planungsphase ist die Entstehung von Oberwellen nicht vorauszusehen. ==> Neutralleiter müssen höher (ausreichend) dimensioniert werden Die Norm erlaubt geringer Querschnitte (N = 50% des Leiterquerschnittes bei Strömen über 2500 A) CBEMA fordert mindestens 1,73 x Phasenquerschnitt Konsequente Realisierung eines sauberen TN-S - System in Netzen mit mehren Transformatoren und Netzersatzanlagen als Speisequelle ==> die Sternpunktverbindung muß in der geometrischen Lastmitte der Einspeisungen an einer (aktiven) Stelle in der NSHV kurzschlußfest erfolgen. Dr. Reichert, FT260101, 21

22 Verbraucher verursacht Oberschwingungen Verpennte Installation kann alle Maßnahmen aufheben ==> Konsequente Trennung von N und PE Trennung von N und PE so früh wie möglich damit Potential des PE möglichst nahe bei Erde Ver braucher Ver braucher Dr. Reichert, FT260101, 22

23 Dr. Reichert, FT260101, 23

24 Dr. Reichert, FT260101, 24

25 So nicht!!! Dr. Reichert, FT260101, 25

26 Aber So!!! Dr. Reichert, FT260101, 26

27 Dr. Reichert, FT260101, 27

28 Dr. Reichert, FT260101, 28